三片式硅基液晶激光投影显示中光学引擎的设计

 介绍了激光硅基液晶芯片的显示原理,针对硅基液晶光学引擎的特点,采用光学扩展量表征系统的光能利用率,并分析了光学扩展量的变化与光能利用率的关系。利用光学软件Zemax和Tracepro设计了三片式激光硅基液晶光学引擎。实验结果表明:此光学引擎体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率达到56%以上,满足设计要求。     

月基光学天文望远镜（LOT）的杂散光分析

杂散光分析是保证月基光学天文望远镜（LOT）成像质量的关键技术之一．本文对月基光学天文望远镜进行了详细的杂散光分析，确定了系统的一次、二次散射路径．根据重要杂散光路径提出对主、次镜内遮光罩的改进方案，对改进后系统重新分析，计算了杂散光评价指标PST．和改进前相比，PST值降低了1～2个量级，离轴角为30°以后，PST值均达到10^-10量级．     

抑制眼内杂散光提高视网膜成像质量方法研究

利用液晶空间光调制器和夏克-哈特曼探测器为核心器件搭建了一套液晶自适应光学(AO)视网膜成像系统。通过计算哈特曼光斑图和视网膜图像的调制传递函数(MTF)定量分析了眼内杂散光对视网膜成像质量的影响,结果表明哈特曼光斑图的MTF优于视网膜图像的MTF,说明眼内杂散光降低了视网膜的成像质量。根据眼内散射光偏振状态改变的特点,系统采用偏振光照明,抑制眼内散射光;利用补偿镜和位于眼前1m位置处的视标,使照明光准确聚焦在视网膜血管层上,抑制视网膜多层组织反射杂光。通过对比实验,证明以上方法在一定程度上抑制了眼内杂散光对视网膜成像质量的影响。最后对4名志愿者进行了视网膜血管自适应成像实验,均获得了清晰的眼底视网膜血管图像。     

基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器的研制

为了产生制导武器仿真系统中所需的逼真的目标背景图像,建立了基于硅基液晶显示技术的可见光光学目标模拟器。给出了模拟器图像输出的实际效果图以及光学参量的测试方法和数据。测试表明,该装置有较好的亮度、对比度和均匀性,与传统的阴极射线管显示技术相比有效减轻了图像闪烁问题,能够提供稳定的视频输出,更有利于仿真系统中对动态目标的识别,是一种较为理想的图像模拟装置。同时给出了双复眼光学系统初始结构的计算方法并推导出简单的计算公式,该算法可以应用于其他双复眼照明系统中。     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

微型拉曼光谱仪杂散光分析及抑制方法的改进

作为一个微弱光信号探测系统,拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。针对微型拉曼光谱仪系统,结合光学设计和三维建模优化了其光机结构,系统分辨率为0.7 nm,体积为110 mm×95 mm,属便携式微型拉曼光谱仪,并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光,然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进,改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间,且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%,杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7,在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光,将更加有利于微弱信号的探测,为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计

针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在x、y、z方向上计算分析了直径为25nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.     

地表反照对天基测量相机的影响

建立了地表反射光模型,计算分析了地球背景反照光对空间目标的照明状况,得知地球背景反照光可以作为天基光电测量相机的辅助照明光源.同时对地气杂光进行了研究,给出了天基光电测量相机地气杂散光指标的设计要求.     

基于DMD的大视场长出瞳距星模拟器光学系统设计

为满足高动态星模拟器的使用要求，设计了一套适用于DMD的投影光学系统和照明光学系统。投影系统采用二次成像方式，解决了大视场长出瞳距情况下长后工作距和系统像差校正难的问题，采用复眼透镜阵列设计了相应的照明系统，利用全反射棱镜实现照明系统和投影系统的同向排列。设计结果表明:系统出瞳为60 mm，视场为28.6°，畸变小于0.045%，80%的能量集中在直径为8 μm的圆内，照明系统的照明均匀度大于94%，满足设计指标要求，适用于大视场长出瞳距DMD型动态星模拟器的光学系统。     

用于CF-LCoS投影偏置LED照明光棒的角度分割原理及其偏振复用系统

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理,籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸,再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计,然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构,确保LED发散角范围内光能的偏振复用,并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎,在1W LED功耗下实现12.8lm投射亮度(114lm/W),均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,在保证均匀性的前提下,提升了微型投影系统的光效率,丰富了光棒偏振复用的内容.     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

基于亮度先验的星图杂散光噪声去除方法

针对地基可见光观测图像中存在的杂散光干扰问题,提出了一种基于星图亮度先验的杂散光噪声去除方法。首先,通过分析杂散光形成的原因及其在星图中的空间分布特征,建立星图在杂散光干扰下的退化模型;然后利用星图的亮度先验,估计大气的深度信息并去除分布不均的杂散光噪声;最后,在地基光学望远镜拍摄的实际星图上进行验证。与现有的算法相比,对于受不同程度杂散光干扰的目标,该方法在背景抑制和目标信杂比提升上均获得了更好的实验效果。其中,针对序列星图中信杂比为2.05以上的空间目标,处理后能够获得7.39以上的信杂比增益和1.92以上的背景抑制因子。     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

用于投影机的发光二极管照明单元

目前的投影机光源——高压汞灯存在寿命短、色温高、存在有害光线、发热集中等缺点,严重制约了投影机进入家庭应用领域。发光二极管的最近发展为其作为高压汞灯的替代光源提供了可能性。提出了一种由一个发光二极管、一个准直镜、一个前蝇眼透镜和一个后蝇眼透镜组成的用于投影机的发光二极管照明单元,由数个照明单元加上会聚透镜则构成一个基本的照明系统。发光二极管的发光经准直镜压缩光束发散角后被前蝇眼透镜分割为多个细光束,会聚透镜将每个细光束都叠加会聚到显示芯片上,实现光能量的会聚和光场再分布．以满足投影机对光通量和光场均匀性等方面的要求,后蝇眼透镜用于与后续光路的匹配。作为照明单元的一个应用实例,文中分析了一种单片式硅上液晶投影机。     

Analysis of tunable bandgaps in liquid crystal-infiltrated 2D silicon photonic crystals

We present a theoretical study on two-dimensional photonic crystals composed of silicon and the E7 liquid crystal. We analyze how the optical axis orientation of the liquid crystal influences the photonic bands and bandgaps, for the case when the Maxwell equations can be decoupled into the TE and TM modes. We consider two different structures, a triangular lattice of E7 liquid crystal cylinders in a silicon background and a triangular lattice of silicon cylinders in an E7 liquid crystal background. The effect of the liquid crystal anisotropy on the geometry of the irreducible Brillouin zone allows us to propose a simplified way to calculate the photonic bandgaps. Results show that the bandgap width and center frequency have a 60° periodicity for both structures. Using the plane-wave expansion method, we determined the maximum bandgap and the optimal radius of the cylinders for each structure. Finally, for the second structure, we propose an optical switch with a 50% duty cycle. These structures can be applied to design tunable photonic devices.     

Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software北大核心CSCD

为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。     

多目标复合半实物仿真系统的杂散光分析

杂散光分析已经成为光学系统设计中必须考虑的关键因素之一。基于蒙特卡洛法,利用TracePro软件进行建模仿真,对多目标复合半实物仿真系统的杂散光进行了分析。仿真结果表明仿真系统的杂散光主要来自两方面:一是扩束光束经主反射镜边缘反射的未复合光束;另一个是由于仿真系统关键元件自发辐射产生的杂散光。根据杂散光系数和元件制冷温度的关系得出:当制冷温度为200 K时,仿真系统的杂散光系数小于2%。分析结果对导弹的多目标复合半实物仿真系统的设计具有重要的指导意义。     

基于硅基液晶微显示立体投影光学引擎的设计

从平衡两路图像对比度的角度,采用双硅基液晶(LCoS)芯片设计了一种实用的微型立体投影光学引擎。光学引擎中双LCoS芯片分别用于调制左右眼的图像,一个白光LED作为投影光源,两个标准的MacNeille偏振分光棱镜(PBS)用于产生两路偏振方向相互垂直的高偏振度光束。整个引擎设计简单,结构紧凑,其尺寸约为105mm×28mm×25mm。测量了本设计中光学引擎的各部件的实际参数值,根据所测量的数据通过理论计算得到:左右两光路的对比度完全平衡且均为64…1,光效率均为3.61%,整机的光通量为20lm。     

Calculation techniques with the Monte Carlo method in stray radiation evaluation

Some calculation techniques with the Monte Carlo method in stray radiation evaluation such as imaginary covers, domain decomposition, coordinate conversion, principle of weight-equivalent sampling, randomness of radiant characteristic of heat insulating coat are described. Employing these techniques, the stray radiation calculation for a large optical system can be achieved in a personal computer. Taking a satellite-borne optical system, for example, the stray radiation flux and stray radiation environment of the system is obtained. The calculation results present a reference for the design of the optical system.